Concours interne
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SESSION DE 2005<br />
CAPLP<br />
<strong>Concours</strong> <strong>interne</strong><br />
Section : MATHÉMATIQUES-SCIENCES PHYSIQUES<br />
Composition de PHYSIQUE-CHIMIE<br />
Durée : 4 heures<br />
Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999).<br />
Il est recommandé aux candidats de partager également le temps entre la physique et le chimie.<br />
La composition comporte deux exercices de chimie et trois exercices de physique que les candidats<br />
peuvent résoudre dans l’ordre qui leur convient, tout en respectant la numérotation de l’énoncé.<br />
Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale dans<br />
sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre.<br />
Les correcteurs tiennent le plus grand compte des qualités de soin et de présentation.<br />
Plan du sujet :<br />
EXERCICE 1 : L’ACIDE LACTIQUE DANS LE LAIT.<br />
EXERCICE 2 : LES ESSENCES.<br />
EXERCICE 3 : OPTIQUE<br />
EXERCICE 4 : TRANSFERTS DE CHALEUR, MACHINES FRIGORIFIQUES<br />
EXERCICE 5 : ÉLECTRICITÉ<br />
La page 10/10 est une annexe à rendre avec la copie.<br />
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EXERCICE 1 : L’ACIDE LACTIQUE DANS LE LAIT.<br />
Extrait de sujet de T.P. de Bac Pro (session 2000).<br />
BACCALAUREAT PROFESSIONNEL<br />
EPREUVE DE TRAVAUX PRATIQUES DE SCIENCES PHYSIQUES.<br />
DETERMINATION DE L’ACIDITE D’UN LAIT.<br />
BUT DES MANIPULATIONS.<br />
La teneur en acide lactique d’un lait est un bon critère de fraîcheur. L’objectif est de déterminer la<br />
fraîcheur du lait testé en mesurant son degré d’acidité total qui s’exprime en degré DORNIC (°D).<br />
TRAVAIL À RÉALISER.<br />
1) Préparation de la prise d’essai :<br />
- remplir à moitié le bécher étiqueté « LAIT » ;<br />
dans l’erlenmeyer étiqueté « solution A »,<br />
verser V0 = 20,0 mL de lait prélevé dans le bécher<br />
étiqueté « LAIT » à l’aide d’une pipette jaugée ;<br />
- à l’aide d’une éprouvette graduée, compléter<br />
la solution A avec 100 mL d’eau distillée ;<br />
- ajouter 10 gouttes de phénolphtaléine.<br />
2) Dosage colorimétrique.<br />
2-1) préparation du dosage :<br />
- mettre le barreau de l’agitateur magnétique<br />
dans l’erlenmeyer étiqueté « solution A » ;<br />
- remplir la burette graduée de solution d’hydroxyde<br />
de sodium de concentration molaire C1=0,05 mol/L ;<br />
ajuster le niveau du liquide au niveau zéro de la<br />
burette en faisant écouler l’excédent de solution<br />
dans l’erlenmeyer étiqueté « récupération<br />
des produits usagés » ;<br />
- placer l’erlenmeyer étiqueté « solution A » et<br />
l’agitateur magnétique sous la burette ;<br />
régler l’agitateur afin d’homogénéiser mélange<br />
lait - eau distillée - phénolphtaléine.<br />
2-2) réalisation du dosage :<br />
- verser à la burette graduée, mL par mL, la solution d’hydroxyde de sodium dans l’erlenmeyer<br />
jusqu’au virage au rose persistant ; le changement de couleur détermine le volume Véq de<br />
soude équivalent.<br />
3) Calcul de l’acidité du lait.<br />
3-1) En déduire le degré d’acidité du lait analysé, exprimé en degré Dornic (° D) .<br />
1 degré Dornic (°D) correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait,<br />
même si l’acide lactique n’est pas le seul acide présent.<br />
3-2) État de fraîcheur : utiliser l’échelle ci-dessous pour évaluer l’état de fraîcheur du lait étudié.<br />
18°D 35°D 80°D<br />
lait frais le lait caille en chauffant le lait caille à température ambiante fabrication du yaourt<br />
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Questions destinées aux candidats du concours PLP.<br />
1) Dosage colorimétrique.<br />
1-1 ) Qu’est-ce qu’un dosage colorimétrique ? Préciser la nature chimique des indicateurs<br />
colorés utilisés dans les dosages acido-basiques ainsi que la particularité qui justifie leur<br />
utilisation.<br />
1-2) Définir ce que l’on appelle « l’équivalence ».<br />
Quel est l’intérêt d’ajouter 100mL d’eau distillée aux 20,0mL de lait pour obtenir la « solution A » ?<br />
Dire sur quel paramètre cela influe et pourquoi cela n’a pas d’incidence sur la détermination du<br />
degré Dornic du lait.<br />
1-3) Écrire l’équation bilan de la réaction entre l'acide lactique et la solution d'hydroxyde de<br />
sodium. Calculer la constante d’équilibre de cette réaction et commenter la valeur obtenue.<br />
1-4) Lors d’un essai, la teinte rose persistante est obtenue pour un volume de solution<br />
d’hydroxyde de sodium versé égal à Veq = 8,0mL.<br />
Déterminer, en degré Dornic, le degré d’acidité totale du lait et indiquer quel est son état de<br />
fraîcheur.<br />
2) Dosage par pH-métrie.<br />
Données utiles pour la résolution de l’exercice :<br />
Formule brute de l’acide lactique : C3H603 ; pKa = 3,8<br />
Produit ionique de l’eau à 20°C : Ke = 10 -14<br />
Masses molaires atomiques : C : 12g/mol ; O : 16g/mol ; H : 1g/mol<br />
Pour contrôler le résultat approximatif obtenu, on réalise le même dosage mais par pH-métrie.<br />
La pH-métrie est une technique potentiométrique.<br />
2-1) Qu’est-ce qu’un dosage potentiométrique ?<br />
Faire un schéma légendé du montage pour réaliser ce dosage. Indiquer les types d’électrodes<br />
utilisées et les décrire rapidement.<br />
2-2) Les valeurs lues sur l’appareil sont des valeurs de pH.<br />
Pourquoi faut-il au préalable étalonner le pH-mètre ? Décrire l’étalonnage.<br />
2-3) Les valeurs V des volumes de solution d’hydroxyde de sodium versé et les valeurs<br />
correspondantes du pH sont données dans le tableau ci-dessous :<br />
V en mL 0,0 1,0 2,0 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5<br />
pH 6,65 6,80 7,00 7,20 7,40 7,60 7,75 7,95 8,20<br />
V en mL 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0<br />
pH 8,40 8,70 8,90 9,10 9,20 9,35 9,45 9,60 9,70<br />
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A l’aide des valeurs du tableau, construire, sur papier millimétré, la courbe représentant<br />
l’évolution du pH en fonction du volume versé V.<br />
en abscisse, 1cm représentera 1mL ; en ordonnée, 4cm représenteront une unité de pH.<br />
A partir de cette courbe, déterminer le « point d’équivalence » (pH eq et V’eq).<br />
En déduire le degré Dornic du lait et comparer cette valeur à celle trouvée à la question 1-4.<br />
Donner une conclusion rapide.<br />
3) Choix de l’indicateur coloré utilisé.<br />
On donne ci-dessous les éléments relatifs à quelques indicateurs colorés :<br />
Indicateur Teinte « acide » Zone de virage (pH) Teinte « basique »<br />
Bleu de bromothymol jaune 6,0 – 7,6 bleu<br />
Rouge de phénol jaune 6,8 – 8,6 rouge<br />
Hélianthine rouge 3,1 – 4,4 jaune<br />
Phénolphtaléine incolore 8,2 – 10,0 rose<br />
3-1) Le choix d’utiliser la phénolphtaléine pour ce dosage est-il judicieux ? Pourquoi ?<br />
3-2) Quel(s) autre(s) indicateur(s) coloré(s) aurait-on pu utiliser ?<br />
3-3) Si on avait utilisé l’hélianthine, comment aurait été la valeur obtenue pour le volume « à<br />
l’équivalence » par rapport aux valeurs Veq et V’eq précédentes ? Justifier la réponse.<br />
4) La molécule d’acide lactique.<br />
4-1) Dans la nomenclature de l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée, l’acide<br />
lactique est le 2-hydroxypropanoïque.<br />
Donner la formule développée de l’acide lactique et faire une représentation montrant la<br />
géométrie spatiale de la molécule.<br />
4-2) Qu’est-ce qu’un acide fort ? Qu’est-ce qu’un acide faible ?<br />
L’acide lactique est-il un acide fort ou un acide faible ?<br />
On considère une solution aqueuse d’acide lactique de concentration C = 10 -2 mol/L.<br />
Calculer le pourcentage de molécules d’acide qui sont dissociées dans la solution.<br />
Calculer le pH de cette solution.<br />
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EXERCICE 2 : LES ESSENCES.<br />
Document distribué par un PLP à des élèves de baccalauréat professionnel MEMATPPJ.<br />
Les essences des moteurs à explosion.<br />
Les carburants utilisés pour les moteurs à explosion (essences) sont des mélanges<br />
d’hydrocarbures. Les chaînes carbonées des principaux hydrocarbures contiennent de 6 à 8<br />
atomes de carbone.<br />
Le rendement d’un moteur à explosion augmente avec le taux de compression 2 dans<br />
les cylindres.<br />
Le taux de compression ne peut pas être aussi grand qu’on le désire. A partir d’une<br />
certaine valeur de ce taux, le mélange (air+carburant) détone tout seul : c’est le phénomène<br />
d’auto-inflammation ou auto-allumage.<br />
L’explosion se fait alors à contretemps dans les cylindres, avant que la bougie envoie<br />
l’étincelle. Le moteur « cogne ».<br />
Pour éviter ce phénomène, il faut utiliser des essences qui résistent à la compression,<br />
donc à l’auto-imflammation.<br />
On donne les principaux hydrocarbures présents dans les essences et leurs<br />
températures d’auto-inflammation :<br />
Hydrocarbures Température d’auto-inflammation (en °C)<br />
2-méthylpentane 306<br />
2,2,4-triméthylpentane (isooctane) 456<br />
hexane 234<br />
2,4-diméthylhexane 387<br />
heptane 221<br />
octane 224<br />
La qualité d’une essence est repérée par un indice : l’indice d’octane, qui est en fait le<br />
pourcentage d’isooctane contenu dans cette essence. Celui-ci varie de 90 (essence<br />
ordinaire) à 98 (supercarburant).<br />
Par distillation fractionnée du pétrole, on obtient très peu d’essences ou alors de<br />
médiocre qualité (indice d’octane de l’ordre de 50), et beaucoup plus de produits lourds à<br />
chaîne linéaire.<br />
Il faut donc transformer ces produits lourds par des opérations chimiques pour obtenir<br />
des essences de qualité satisfaisante ; c’est le rôle du « craquage catalytique », du<br />
« reformage » et de « l’alkylation ».<br />
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Questions destinées aux candidats du concours PLP.<br />
1) Formules brutes, formules semi-développées, isomères.<br />
1-1) Définir rapidement chacun de ces termes.<br />
1-2) Pour chacun des hydrocarbures cités, donner la formule brute et la formule semidéveloppée.<br />
Préciser quels sont les isomères.<br />
2) Détermination de la formule d’un hydrocarbure.<br />
Pour déterminer la formule d’un hydrocarbure, on réalise la combustion de 160,0 grammes<br />
de ce produit dans le dioxygène. On obtient 494,0 grammes de dioxyde de carbone et<br />
227,4 grammes d’eau.<br />
2-1) Écrire l’équation équilibrée de la réaction de combustion.<br />
2-2) Vérifier qu’il s’agit bien d’un hydrocarbure.<br />
2-3) Déterminer la formule brute de cet hydrocarbure. Peut-on écrire sa formule développée ?<br />
Pourquoi ?<br />
3) L’indice d’isooctane.<br />
3-1) Pour éviter le phénomène d’auto-inflammation, est-il préférable d’avoir des hydrocarbures<br />
à chaîne linéaire ou à chaîne ramifiée ? Justifier la réponse.<br />
3-2) L’indice 100 est affecté à l’isooctane pur (100% d’isooctane). Auquel des hydrocarbures<br />
cités affectera-t-on l’indice 0 ? Pourquoi ?<br />
3-3) Pour diminuer les « cognements » des moteurs et augmenter l’indice d’isooctane, on<br />
ajoute à l’essence un additif antidétonant, le plomb tétraéthyle à raison de 0,4g/L d’essence.<br />
Écrire la formule semi-développpée du plomb tétraéthyle.<br />
Quel est l’inconvénient de l’utilisation de ce produit dans les carburants ?<br />
Citer deux moyens maintenant en place pour éviter ces inconvénients.<br />
4) Les opérations chimiques de transformation des produits lourds.<br />
4-1) Quel est le but du « craquage catalytique » ?<br />
Décrire rapidement le procédé du craquage catalytique en précisant les conditions et la nature<br />
des catalyseurs utilisés.<br />
4-2) Quel est le but du « reformage » ?<br />
Décrire rapidement le procédé du reformage en précisant les conditions et la nature des<br />
catalyseurs utilisés.<br />
4-3) Par alkylation, l’isooctane est obtenu à partir du 2-méthylpropane dont une partie est<br />
transformée en 2-méthylpropène, ces deux corps réagissant entre eux.<br />
Écrire les différentes réactions conduisant à l'isooctane à partir du 2-méthylpropane.<br />
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EXERCICE 3 : OPTIQUE<br />
Extrait de sujet de baccalauréat professionnel<br />
Carrosserie Options Construction et Réparation<br />
On constate, lors d’une exposition prolongée à la lumière blanche du soleil, un<br />
jaunissement de certaines matières plastiques, dont le PVC.<br />
Un corps éclairé en lumière blanche est jaune car :<br />
x il absorbe toutes les couleurs sauf le jaune ;<br />
x il renvoie toutes les couleurs sauf le bleu ;<br />
x il renvoie le bleu, couleur complémentaire du jaune ;<br />
x il renvoie toutes les couleurs sauf le jaune.<br />
Distinguer, parmi ces quatre propositions, les vraies des fausses.<br />
Questions destinées aux candidats du concours PLP<br />
1°) Rédiger une solution de l’exercice (le barème n’est pas demandé).<br />
2-1) Proposer une expérience simple permettant de mettre en évidence la composition de la<br />
lumière blanche (matériel nécessaire et protocole).<br />
2-2) Placer dans le spectre ci-dessous les différentes couleurs observées, ainsi que les deux<br />
domaines limites au domaine du visible.<br />
2-3) Qu’appelle-t-on couleur primaire en synthèse additive ? Compléter la rosace du schéma 1<br />
de l’annexe avec les noms des couleurs primaires et des couleurs obtenues par synthèse<br />
additive.<br />
2-4) Qu’appelle-t-on couleur complémentaire ? Donner un exemple.<br />
3°) Compléter le tableau d’observation suivant, en justifiant les réponses :<br />
Couleur de l’objet en lumière blanche Couleur de l’éclairage Couleur observée<br />
Objet rouge jaune<br />
400 700 O en nm<br />
Objet rouge noir<br />
Objet blanc magenta<br />
4°) Pourquoi fait-il plus chaud dans une voiture peinte en noir que dans une voiture peinte en<br />
blanc, après des durées d’exposition au soleil identiques ?<br />
5°) Pour expliquer le principe de l’arc en ciel à des élèves, on réalise un schéma comportant<br />
les éléments suivants : le soleil ; le rideau de pluie ; l’observateur; l’arc en ciel.<br />
5-1) Réaliser ce schéma pour préciser les positions relatives de chacun de ces éléments.<br />
5-2) Tracer le trajet suivi par un rayon de lumière blanche arrivant perpendiculairement à la<br />
surface sphérique d’une goutte d’eau. Ce rayon subira successivement une réfraction, une<br />
réflexion et une réfraction. L’indice de réfraction moyen de l’eau est de 1,33.<br />
Distinguer à la sortie la position de la composante rouge et de la composante bleue. On<br />
rappelle que l’indice d’un milieu varie avec la longueur d’onde suivant la loi de Cauchy :<br />
B<br />
N A . 2<br />
O<br />
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EXERCICE 4 : TRANSFERTS DE CHALEUR, MACHINES FRIGORIFIQUES<br />
Extrait de sujet de baccalauréat professionnel Bâtiment<br />
Afin de réaliser des travaux d’isolation thermique,<br />
on souhaite placer du polystyrène expansé sur la<br />
face <strong>interne</strong> d’un mur.<br />
1°) Dans quel sens se fait le transfert de chaleur ?<br />
2°) Selon quel mode se propage essentiellement la<br />
chaleur à travers le mur ?<br />
3°) La résistance thermique mesure l’aptitude du<br />
matériau à s’opposer au passage de la chaleur :<br />
R<br />
e<br />
.S<br />
Extrait de sujet de baccalauréat professionnel Bio-Industries de transformation<br />
Questions destinées aux candidats du concours PLP<br />
1-1) Rédiger une solution pour le sujet Bâtiment (le barème n’est pas demandé).<br />
1-2) Évaluer l’économie hebdomadaire réalisée grâce à la plaque de polystyrène, le kilowattheure étant<br />
facturé 0,03 €.<br />
2-1) Nommer les trois modes de transfert possibles.<br />
2-2) Pour chacun, donner une définition, en précisant s’il y a transfert de matière et nécessité d’un milieu<br />
matériel.<br />
2-3) Proposer pour chacun une expérience simple permettant de l’illustrer au mieux à des élèves<br />
(matériel, schéma et protocole).<br />
3°) Rédiger une solution pour le sujet Bio-Industries de transformation (le barème n’est pas<br />
demandé). Compléter le schéma 2 en annexe.<br />
4-1) Parmi les transformations d’état d’un corps pur, quelles sont celles qui sont endothermiques ?<br />
Définir la chaleur latente.<br />
4-2) Énoncer le principe de Carnot et préciser les échanges de chaleur notés Q1 et Q2 et de travail W<br />
dans une machine frigorifique entre la machine et les sources de chaleur.<br />
Page 8 sur 22<br />
Face<br />
<strong>interne</strong><br />
t =19°C<br />
R : résistance thermique en °C.W -1 ;<br />
e : épaisseur de la paroi en m ;<br />
S : aire de la surface en m 2 ;<br />
O : conductivité thermique en W.m -1 .°C -1 .<br />
F ace<br />
e xterne<br />
t = 5°C<br />
Le polystyrène possède une conductivité thermique de 0,039 W.m -1 .°C -1 .<br />
Calculer la résistance thermique d’une plaque de polystyrène d’épaisseur e = 2,0 cm et d’aire S= 10 m 2 .<br />
Après pasteurisation, un jus de fruit est refroidi et stocké à basse température.<br />
Le refroidissement est assuré par une machine frigorifique à compression, dont le schéma de principe<br />
est donné en annexe (schéma 2).<br />
1°) Placer correctement les annotations suivantes sur le schéma 2 :<br />
- condenseur<br />
- compresseur<br />
- détendeur<br />
- évaporateur<br />
2°) On refroidit 8000 L de jus de fruit par heure, de 50 °C à 4°C. La capacité thermique massique du jus<br />
de fruits est c = 4,0.10 3 J.kg -1. °C -1 et sa masse volumique est de 1085 kg.m -3 .<br />
2-1) Déterminer la masse du jus de fruit refroidie en une heure.<br />
2-2) En déduire la quantité de chaleur perdue par cette masse de jus de fruit. On donne Q = m.c (t2–t1).
Durée<br />
(ms)<br />
10000<br />
5000<br />
2000<br />
1000<br />
500<br />
200<br />
100<br />
50<br />
20<br />
10<br />
EXERCICE 5 : ÉLECTRICITÉ<br />
Extrait de sujet baccalauréat professionnel industries de procédés :<br />
Le graphique ci-dessous définit les zones temps-intensité<br />
selon les effets physiologiques que produit le courant alternatif.<br />
<br />
0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 i (mA)<br />
Est-il plus dangereux pour le corps humain d’être traversé par un courant alternatif d’intensité 100 mA<br />
pendant 50 ms que par un courant alternatif d’intensité 50 mA pendant 2 s ?<br />
Chercher les points sur le graphique et dire dans quelles zones ils sont placés. Conclure.<br />
Questions destinées aux candidats du concours PLP<br />
1°) Rédiger une correction du sujet de baccalauréat professionnel (le barème n’est pas demandé)<br />
2°) Quels sont les effets du courant électrique sur le corps humain ?<br />
Définir les termes « électrocution » et « électrisation ».<br />
3°) Dans le schéma d’une installation donné en annexe (schéma 3), ajouter le trajet du courant<br />
de fuite, calculer la différence de potentiel entre la carcasse du récepteur et la masse, et<br />
justifier le danger éventuel.<br />
4°) On étudie le fonctionnement d’un disjoncteur différentiel<br />
DDR, dont le schéma est donné ci-contre.<br />
4-1) En utilisant les lois de l’induction,<br />
expliquer pourquoi le déclenchement<br />
ne s’opère pas en l’absence de défaut.<br />
4-2) En utilisant les lois de l’induction,<br />
expliquer pourquoi le déclenchement<br />
a lieu en présence de défaut.<br />
4-3) Ce système assure-t-il une bonne protection<br />
si la résistance de la « terre » est trop importante ?<br />
Justifier votre réponse.<br />
4-4) On relève sur deux disjoncteurs différentiels<br />
différents les indications « 30mA » et « 500mA ».<br />
Que signifient ces indications ?<br />
4-5) Quel est celui des deux disjoncteurs<br />
le mieux adapté à la protection des personnes ?<br />
Justifier votre réponse.<br />
Zones<br />
Page 9 sur 22<br />
Effets physiologiques<br />
Zone 1 Aucune réaction<br />
Zone 2 Aucun effet physiologique dangereux.<br />
Aucun dommage organique :<br />
Zone 3 probabilité de contractions musculaires<br />
et de difficultés de respiration.<br />
En plus des effets de la zone 3,<br />
probabilité de fibrillation ventriculaire ;<br />
des effets pathophysiologiques tels que<br />
Zone 4 brûlures graves, arrêt du cœur, arrêt de la respiration<br />
peuvent se produire<br />
Ph<br />
N<br />
Organe de<br />
déclenchement<br />
Circuit<br />
magnétique<br />
Récepteur<br />
Défaut<br />
x<br />
Disjoncteur différentiel monophasé<br />
x
ANNEXE (à rendre avec la copie)<br />
schéma à compléter n°1 :<br />
ROSACE<br />
Basse pression,<br />
gazeux<br />
Basse pression,<br />
liquide<br />
Secondaire du<br />
transformateur de<br />
distribution EDF<br />
avec neutre<br />
à la terre.<br />
Résistance<br />
de la prise<br />
de terre<br />
du neutre :<br />
RN = 10 :<br />
Haute pression,<br />
gazeux<br />
Haute pression,<br />
liquide<br />
Les disjoncteurs ne sont pas représentés.<br />
Récepteur<br />
Défaut : RD = 0:<br />
Carcasse métallique<br />
mise à la terre.<br />
Résistance<br />
de la prise de terre<br />
des masses : RA = 20 :<br />
schéma à compléter n°3 : ÉLECTRICITÉ<br />
Page 10 sur 22<br />
schéma à compléter n°2 :<br />
MACHINE FRIGORIFIQUE<br />
V = 230 V<br />
Personne<br />
en contact<br />
franc avec<br />
la<br />
carsasse<br />
métallique<br />
Ph 3<br />
Ph 2<br />
Ph 1<br />
N